发光物体自动跟踪装置设计

北京信息科技大学《现代电子技术综合设计》报告

题目发光物体自动跟踪装置

学院光电工程学院

专业光信息科学与技术

学号

姓名

指导老师

日期2015年1月29日

目录

第一部分设计要求 (3)

第二部分设计方案 (3)

第三部分设计原理 (4)

1. 光信号采集与处理 (4)

2. 加减法电路 (6)

3. 绝对值电路及过零比较电路 (8)

4. 非门电路 (10)

5. 放大电路 (11)

6. 除法电路 (11)

7.锯齿波及其绝对值 (12)

8.H桥与舵机 (14)

第四部分总结 (15)

发光物体的自动跟踪装置课程设计

第一部分设计要求

设计一套可对发光物体进行自动跟踪的系统，其可对视场内的发光物体（如太阳，LED，激光光斑）等实现自动跟踪，从而实现始终将自身指向发光目标的功能。

1. 基本要求

可探测系统视场内发光物体与系统自身光轴的偏差量；

可根据发光物体的偏差量，驱动转台电机带动系统跟踪发光物体；

全自动跟踪，最大跟踪角速度不大于1°/S；

系统具有抗环境光干扰能力；

跟踪目标距离大于70cm。

2.提高部分

提高跟踪精度和速度；

自由发挥。

第二部分设计方案

图1为设计总框图

图1

流压转换：四象限产生的是电流值，利用324实现电压与电流之间的转换, 以便后面计算。加法运算：利用741进行加法运算，可计算出四象限所接收光的总和。

减法运算：用741计算出左右象限所接受光的差值，用来计算光斑位置。

过零比较：用324对减法结果进行过零比较，大于零的部分输出为1。

非门电路：将过零比较进行反向，得到的值同过零比较送至H 桥控制正反转。 绝对值运算：利用324进行绝对值电路，将减法运算中小于0的部分都变为正的。 放大电路：将加法和绝对值输出信号进行放大，送至除法器，以提高跟踪距离。 除法电路：由放大后的信号进行除法运算，加法为分母，绝对值为分子。

H 桥：将过零比较与非门与H 桥的IN1和IN2相连，进而控制与H 桥相连的舵机，实现正反转。

产生锯齿波和绝对值电路：用324产生锯齿波，再用绝对值电路处理波形。

Pwm ：进行绝对值后的锯齿波输出与除法输出的电压同PWM 相连，进行比较后输出不同占空比的方波，产生不同转速。再进过非门电路得到理想转速对应关系。

第三部分 设计原理及步骤

1. 光信号的采集与处理

使用器件：四象限探测器、LM324

信号捕捉采用四象限探测器。四象限探测器因为具有灵敏度和位置分辨率高、光谱范围宽、体积小、响应快、动态范围宽等特点，在光斑位置探测中得到了广泛应用。其主要应用在捕获、对准、跟踪系统精跟踪的光斑检测和提前量伺服系统的光斑检测。

一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位）。

根据实验原理，我首先开始了四象限的电路连接，选定了电路后，就根据题目，设计计算电路中所需要的电阻阻值以及电容阻值，根据四象限输出的电流数量级是uA 和所需的转换电压数量级为百mV 以及电流电压转换的基本公式：F R I U i 0-=可以确定所选电阻的阻值范围，我选择了100ΩK 的电阻，然后进行了实物的连接。 四象限原理图如图2

图2

四象限光电探测器是光电探测器的一种，其工作原理是当激光束经过光路中的光学元件成像于四象限光电探测器的光敏面上时，产生一个光斑，如图三所示，光斑在探测器的4个象限分成A,B,C,D4个部分，光斑面积分别为S1，S2，S3，S4,对应的4个象限产生的光电流为I1，I2，I3，I4，,光斑中心相对于探测器中心X 和Y 方向的偏移量分别为 和 Y ，当光学系统广州对准目标时，圆形光斑中心与四象限中心重合，即 = Y ，这时4个象限的光斑面积相同。四象限光电探

测器光电转换电流较小，一般只有几个纳安，需要经过运算放大器转换为电压V1，V2，V3，V4来表示偏移量和Y，表达式如下

）

）

式中为四象限输出的光电流信号转换成的电压信号，，分别为X和Y方向的电压信号误差。

流压转换原理图如图3

图3

实物连接图如图4

图4

示波器中四象限各个口的显示

A象限B象限

C象限D象限

2.加减法电路

四象限有四个区域A、B、C、D，而我们做了一维的发光物追踪装置，所以只需要用两个区域就可以，所以，要将四个区域的AD进行相加作为一个区域，BC进行相加作为一个区域。从而通过加减运算来确定光斑的位置。用741实现加法（A+B+C+D）及减法(（A+D）—（B+C）)运算

使用器件：LM324

根据加法器中的公式

）（

3322110U R R U R R U R R U F

F F ++-=以及减法器中的公式

）（

——3322110U R R U R R U R R U F

F F -=，为了方便连接及计算，统一电阻都选用了100ΩK 的电

阻。

加减法运算的原理图如图5所示

图5

实物连接图如图6

图6

加法示波器显示如图7

图7

减法示波器显示（如图8，9）

图8 图9

当光源处于左右不同象限时，产生的方波一个在正半轴，另一个在负半轴。

3.绝对值电路及过零比较电路

由于四象限的减法运算可能会出现负值，在进行除法后，由于加法为正值，减法可能出现负值，所以除法结果存在负值现象，后面的环节需要正的电压，所以需要一个绝对值运算电路，绝对值就是对信号进行全波整流，将半波整流电路和加法器组合起来就构成了一个绝对值运算电路。

绝对值原理图如图10

图10

过零比较原理图如图11